本文討論了寬帶時(shí)域測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量電磁干擾(EMI)時(shí)所具備的優(yōu)勢(shì)。寬帶時(shí)域測(cè)量技術(shù)用于EMI測(cè)量時(shí),其數(shù)字信號(hào)處理能力使它能夠?qū)崟r(shí)仿真?zhèn)鹘y(tǒng)模擬設(shè)備的各種測(cè)量模式,如峰值檢測(cè)模式、平均值檢測(cè)模式、RMS檢測(cè)模式和類峰值檢測(cè)模式。同時(shí),它還能引入諸如相位譜、短時(shí)譜、統(tǒng)計(jì)評(píng)估以及基于FFT的時(shí)-頻分析方法等新的分析理念。由于時(shí)域技術(shù)允許對(duì)整個(gè)信號(hào)譜內(nèi)的幅度和相位信息進(jìn)行并行處理,因此測(cè)量時(shí)間至少可以縮短一個(gè)數(shù)量級(jí)。本文還討論了該技術(shù)中用到的信號(hào)處理算法和利用時(shí)域電磁干擾系統(tǒng)(TDEMI)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量得到的測(cè)量結(jié)果。
隨著新技術(shù)的飛速發(fā)展,新的電子產(chǎn)品層出不窮。如何使電子產(chǎn)品滿足電磁兼容要求,并改善其電磁兼容性能,這已經(jīng)成為產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中的一大難題。EMC和EMI測(cè)量設(shè)備能夠在較短的測(cè)量時(shí)間內(nèi)提取大量精確的信息,采用這種設(shè)備能夠降低產(chǎn)品開發(fā)成本,并提高電路和系統(tǒng)開發(fā)的質(zhì)量。一直以來(lái),人們都是使用超外差射頻接收機(jī)[1][2]來(lái)測(cè)量射頻噪聲和電磁干擾(EMI)。這種方法的缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng),對(duì)于30 MHz到1 GHz頻帶內(nèi)的電磁干擾,通常需要測(cè)量30分鐘。測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就導(dǎo)致測(cè)試成本高昂,因此必須尋求一種能夠在不損失測(cè)量質(zhì)量的前提下縮短測(cè)量時(shí)間的方法。傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)并不評(píng)估被測(cè)EMI信號(hào)的相位信息,從而導(dǎo)致重要信息被丟失。而采用了傅立葉變換的EMI測(cè)量技術(shù),其數(shù)字化處理就允許將時(shí)域內(nèi)測(cè)量得到的信號(hào)分解成各種頻率成分。近幾年,隨著快速傅立葉變換(FFT)程序帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益日益明顯,FFT技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)快速普及起來(lái)。
本文討論了幾種新的信號(hào)處理方法,采用這幾種方法,時(shí)域測(cè)量技術(shù)能夠完成精確高效的EMI測(cè)量。此外,本文還介紹了為準(zhǔn)確測(cè)量各種EMI信號(hào)而采用的信號(hào)處理策略。
時(shí)域電磁干擾測(cè)量系統(tǒng)
圖1所示為一個(gè)時(shí)域測(cè)量裝置的框圖,其中包含一個(gè)時(shí)域電磁干擾(TDEMI)測(cè)量系統(tǒng)和一個(gè)用于與TDEMI做比較的傳統(tǒng)EMI接收機(jī)。TDEMI系統(tǒng)中包含:寬帶天線(HL562, Rohde&Schwarz)、線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(ESH 2-Z5, Rohde&Schwarz)、開關(guān)單元(RSU, Rohde&Schwarz)、放大器(ZFL-1000LN, Mini-Circuits)、低通濾波器(SLP-1000, Mini-Circuits)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(TDS7154, Tektronix, 示波器)和一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)(兼容IBM)。文獻(xiàn)[3]中已經(jīng)討論了TDEMI測(cè)量系統(tǒng)的硬件,該系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)是對(duì)采樣后的EMI信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理,其優(yōu)點(diǎn)之一就是能夠通過(guò)軟件方式改善系統(tǒng)性能。
信號(hào)處理理論
ADC以采樣頻率fs 對(duì)輸入連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣和量化,相應(yīng)的采樣間隔為1/fs = ?t。根據(jù)香農(nóng)定理,fs至少應(yīng)為信號(hào)最高頻率的兩倍。這一由采樣頻率決定的信號(hào)頻率上限也叫做奈奎斯特頻率。數(shù)字化之后,數(shù)據(jù)按N個(gè)樣本塊的形式送入估值程序,作為譜估計(jì)器的輸入。TDEMI系統(tǒng)中所采用的譜估計(jì)方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)就是離散傅立葉變換(DFT)。對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行的DFT變換定義如下:
DFT將離散時(shí)間信號(hào)序列x[n]變換為離散頻譜序列X[r],其中n和r表示離散時(shí)間變量和離散頻率變量,并且n和r均為0到(N-1)之間的整數(shù):
根據(jù)DFT的基本特性,?f 、N和 ?t之間滿足如下關(guān)系:
在頻譜X中,X[0]反映了信號(hào)的直流均值,而絕對(duì)值 則對(duì)應(yīng)于在頻率標(biāo)記為r處的合成矢量的幅度。要計(jì)算RMS值,必須將 中每個(gè)r> 1的元素均除以正弦信號(hào)的振幅因數(shù) 。而對(duì)應(yīng)于奈奎斯特頻率的頻率標(biāo)記R見(jiàn)下式:
由于一個(gè)實(shí)值信號(hào)經(jīng)DFT變換后的絕對(duì)值是r的奇函數(shù),因此信號(hào)的所有譜信息均包含在大于或小于奈奎斯特頻率的半邊X[r]中。于是,后面的估值步驟只需要X[r]的一半就足夠了。信號(hào)能量在兩半頻譜中平均分布,因此必須將 的 值乘以2才能準(zhǔn)確地用單邊帶形式表示整個(gè)頻譜。要獲得與連續(xù)傅立葉變換類似的結(jié)果,DFT得到的譜值還必須進(jìn)一步對(duì)時(shí)域樣本數(shù)N歸一化處理。下式定義了單邊幅度譜:
在實(shí)際的系統(tǒng)中,式(1)是通過(guò)快速傅立葉變換(FFT)實(shí)現(xiàn)的。為了避免當(dāng)信號(hào)中包含非信號(hào)周期整數(shù)倍的周期成分時(shí),頻譜泄漏至觀測(cè)時(shí)間 內(nèi),應(yīng)該加上一個(gè)窗函數(shù)。
窗函數(shù)在N/2處達(dá)到全局最大值,并向兩邊平滑滾降,在0和N-1處達(dá)到0,這樣就消除了對(duì)x[n]加窗時(shí)的邊沿效應(yīng)。另一方面,加窗后的信號(hào)向量xW[n]所攜帶的能量比原始信號(hào)少,因?yàn)椴糠中盘?hào)被削弱了。為了消除這一影響,我們限制窗函數(shù)序列,使其在觀測(cè)時(shí)間?TN內(nèi)的積分等于1。w[n]的換算系數(shù)被稱作相關(guān)增益GC:
GC是一個(gè)換算系數(shù),所以根據(jù)DFT的線性特性,GC可以與其他換算系數(shù)一起在頻域中進(jìn)行譜變換之后使用。這樣,我們就得到了以下修正后的單邊幅度譜的定義公式:
不同的窗函數(shù)對(duì)頻率泄漏的抑制和頻譜分辨率二者的折衷程度不同。常用的窗函數(shù)有漢寧窗、漢明窗和平頂窗函數(shù)。
自動(dòng)化TDEMI測(cè)量算法
在時(shí)域測(cè)量中,要捕捉數(shù)據(jù),首先需要進(jìn)行ADC采樣。采樣后,利用數(shù)字方法FFT計(jì)算出信號(hào)的頻譜。之后的信號(hào)處理過(guò)程就能夠糾正由天線頻率特性、傳輸線特性、放大器和抗混迭失真濾波器造成的誤差。然后分析EMI信號(hào)的峰值、RMS值和均值。利用附加的噪聲門限調(diào)整功能還能將該結(jié)果與傳統(tǒng)EMI接收機(jī)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較。
圖2給出了利用TDEMI系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)時(shí)域EMI測(cè)量的基本算法流程圖。其中,M和N按下式計(jì)算:
式中,△TM表示觀測(cè)時(shí)間,△f表示頻率分辨率,fs表示采樣頻率。程序中有一個(gè)M次的循環(huán),每次運(yùn)行該循環(huán),系統(tǒng)就會(huì)讀入一個(gè)長(zhǎng)為N的時(shí)域數(shù)據(jù)向量,然后將該向量轉(zhuǎn)換到頻率域,并送給檢測(cè)器模型。在M次循環(huán)結(jié)束之后,檢測(cè)器模型得到的幅度譜被送入對(duì)數(shù)處理程序中。最后,系統(tǒng)再糾正由TDEMI系統(tǒng)的頻率特性導(dǎo)致的誤差。文獻(xiàn)[6]中詳細(xì)描述了時(shí)域電磁干擾測(cè)量(TDEMI)系統(tǒng)中所用到的譜估計(jì)算法和檢測(cè)器模型。
EMC測(cè)試方案
1. 平穩(wěn)EMI信號(hào)的測(cè)量
EMI測(cè)量時(shí)遇到的信號(hào)通常都具有隨機(jī)性[7]。這些信號(hào)中除了有諧波成分和(偽)噪聲以外,還可能包含瞬態(tài)成分和突發(fā)成分。盡管如此,仍可認(rèn)為,只要觀測(cè)時(shí)間△TM足夠長(zhǎng),一個(gè)隨機(jī)EMI信號(hào)的樣本x(t)(t0< t < t0 +△TM)中可以包含該信號(hào)的所有信息。這時(shí),x(t)的特性就與任意選擇的起始觀測(cè)時(shí)間t0無(wú)關(guān),可以認(rèn)為該信號(hào)是類平穩(wěn)的[8]。文獻(xiàn)[9]中詳細(xì)描述了這類信號(hào)的測(cè)量過(guò)程。我們利用TDEMI系統(tǒng)和傳統(tǒng)EMI接收機(jī)測(cè)量了商用膝上電腦的EMI輻射,并對(duì)二者的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。圖3所示就是利用這樣的測(cè)試裝置測(cè)得的一個(gè)典型時(shí)域數(shù)據(jù)向量。除了噪聲之外,其中還包含很大一部分由被測(cè)電路中所使用的各種時(shí)鐘信號(hào)輻射出來(lái)的平穩(wěn)諧波成分。
圖4給出了由TDEMI系統(tǒng)和傳統(tǒng)EMI接收機(jī)測(cè)得的譜結(jié)果,兩種測(cè)量方式均采用了均值檢測(cè)模式,觀測(cè)時(shí)間均為△TM = 5 ms。接收機(jī)頻率步進(jìn)值為50 kHz,采用了一個(gè)帶寬為120 kHz的IF濾波器。從圖4中可以看出,TDEMI系統(tǒng)和傳統(tǒng)EMI接收機(jī)所測(cè)得的窄帶諧波信號(hào)的幅度譜基本匹配,二者的平均偏差還不到0.5 dB。它們只在噪聲門限上有較小的差別,這是由于TDEMI系統(tǒng)和傳統(tǒng)噪聲接收機(jī)的噪聲性能不同造成的。
2. 瞬態(tài)EMI信號(hào)的測(cè)量
當(dāng)信號(hào)中主要包含尖峰信號(hào)、突發(fā)信號(hào)和其他瞬態(tài)現(xiàn)象時(shí),TDEMI系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)EMI接收機(jī)而言,就具有重大優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵赥DEMI系統(tǒng)中用作ADC的示波器能夠設(shè)置為只在捕捉到瞬態(tài)信號(hào)發(fā)生時(shí)觸發(fā)。圖5給出了瞬態(tài)信號(hào)的觸發(fā)數(shù)據(jù)捕獲原理。對(duì)汽車發(fā)光裝置的測(cè)量就是一個(gè)實(shí)際例子。汽車發(fā)光裝置包括照明單元、電纜和一塊鉛酸電池。我們?cè)?米左右的距離外,用一種類似于前面講過(guò)的方式,通過(guò)一個(gè)寬帶天線來(lái)接收該裝置輻射出的EMI信號(hào)。在裝置斷電過(guò)程中,系統(tǒng)輻射出一系列脈沖,見(jiàn)圖6,之后,很長(zhǎng)一段時(shí)間沒(méi)有任何輻射。我們將示波器設(shè)置為在這一系列脈沖邊沿觸發(fā)。第一次測(cè)量時(shí),TDEMI系統(tǒng)測(cè)量了2500個(gè)頻段,每頻段內(nèi)以5 GS/s的速度采100 000個(gè)點(diǎn)。EMI接收機(jī)則將步進(jìn)值設(shè)置為50 kHz,IF濾波器帶寬120 kHz,每點(diǎn)的停留時(shí)間為50毫秒。圖7給出了峰值檢測(cè)評(píng)估得到的幅度譜。在第二次實(shí)驗(yàn)中,我們將停留時(shí)間增大到1秒。由于受時(shí)間約束,這次測(cè)量最高只能做到170 MHz,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖8。比較兩次測(cè)量得到的結(jié)果,我們可以看出,在兩次測(cè)量中,TDEMI系統(tǒng)測(cè)量得到的幅度譜幾乎均和傳統(tǒng)EMI接收機(jī)測(cè)量的幅度譜上邊界吻合。在TDEMI系統(tǒng)測(cè)得的譜中,隨著測(cè)量時(shí)間的延長(zhǎng),只有測(cè)量的變化性稍為減緩,而EMI接收機(jī)測(cè)得的結(jié)果則很明顯嚴(yán)重依賴于停留時(shí)間。這是由目標(biāo)信號(hào)的特性造成的。EMI接收機(jī)需要較長(zhǎng)的停留時(shí)間才能保證在每個(gè)頻點(diǎn)上的每次測(cè)量均能夠恰好觀測(cè)到一個(gè)瞬態(tài)信號(hào)。而TDEMI系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)前面談到的觸發(fā)條件自動(dòng)對(duì)瞬態(tài)信號(hào)作出反應(yīng),并且在被測(cè)目標(biāo)沒(méi)有EMI輻射的時(shí)候停止捕捉數(shù)據(jù)。這樣,TDEMI系統(tǒng)就有可能在很短的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)完成精確的測(cè)量。
本文小結(jié)
本文介紹了寬帶時(shí)域測(cè)量技術(shù)用于解決電磁干擾問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)。利用TDEMI測(cè)量系統(tǒng)能夠仿效傳統(tǒng)的模擬EMI測(cè)量系統(tǒng)的各種工作模式,例如峰值模式、平均值模式、RMS模式和類峰值監(jiān)測(cè)模式。本文還介紹了信號(hào)處理算法以及利用時(shí)域電磁干擾(TDEMI)系統(tǒng)得到的測(cè)量結(jié)果。與傳統(tǒng)模擬EMI測(cè)量設(shè)備相比,TDEMI系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
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